solar

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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS PROYECTO FIN DE CARRERA DEPARTAMENTO DE SISTEMAS ENERGÉTICOS CENTRAL TERMOSOLAR DE 50 MW EN MURCIA CON COLECTORES CILINDRO PARABÓLICOS MIGUEL ÁNGEL GUILLAMÓN LÓPEZ JUNIO DE 2012

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Solar

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  • ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS

    PROYECTO FIN DE CARRERA

    DEPARTAMENTO DE SISTEMAS ENERGTICOS

    CENTRAL TERMOSOLAR DE 50 MW EN MURCIA CON COLECTORES CILINDRO PARABLICOS

    MIGUEL NGEL GUILLAMN LPEZ JUNIO DE 2012

  • TITULACIN: INGENIERO DE MINAS PLAN 1996

    Autorizo la presentacin del proyecto

    Central termosolar de 50 MW en Murcia con colectores cilindro parablicos

    Realizado por

    Miguel ngel Guillamn Lpez

    Dirigido por

    Juan Jos Snchez Inarejos

    Firmado: Prof. Juan Jos Snchez Inarejos

    Fecha:..

  • I

    INDICE

    RESUMEN Y ABSTRACT..V

    DOCUMENTO 1: MEMORIA

    1 Objetivo y alcance... ............ 2

    2 Antecedentes... ............. 3

    2.1 Experiencias anteriores en Plantas Termosolares.. ................... 3

    2.2 Localizacin y tamao de la central termosolar.............................................. ................. 6

    2.3 Idoneidad de la localizacin............................................................................ ................. 7

    2.4 Geologa del terreno... ........ 10

    2.5 Infraestructura y servicios. ............................................................................................. 10

    2.6 Marco regulatorio espaol para el sector termoelctrico ............................................... 11

    2.7 Eleccin del tamao de la planta termo solar ................................................................. 13

    3 Metodologa .......................................................................................................................... 14

    4 Eleccin del CCP a emplear en la planta termosolar ............................................................ 15

    5 Eleccin del tubo absorbedor a emplear en la planta ............................................................ 18

    6 Eleccin del tipo de fluido caloportador ............................................................................... 21

    7 Diseo de la planta solar termoelctrica................................................................................ 22

    7.1 Campo solar ................................................................................................................... 22

    7.1.1 Parmetros de partida para el dimensionamiento del campo solar23

    7.1.2 Caudal de aceite Therminol VP-1 por fila de CCP ................................................. 24

    7.1.3 Incremento de temperatura del aceite por colector .................................................. 26

    7.1.4 Nmero de colectores en cada fila .......................................................................... 29

    7.1.5 Nmero de lazos de la planta termoelctrica ........................................................... 30

    7.1.6 Calculo del rendimiento del campo solar ................................................................ 32

    7.2 Sistema de transferencia de calor y bloque de potencia ................................................. 36

    7.2.1 Descripcin del ciclo agua- vapor ........................................................................... 36

    7.2.2 Anlisis de la turbina de Alta .................................................................................. 39

    7.2.3 Anlisis del recalentador ......................................................................................... 42

    7.2.4 Anlisis de la Turbina de Baja ................................................................................ 43

    7.2.5 Anlisis del condensador ......................................................................................... 46

    7.2.6 Anlisis de las Bombas de Condensado .................................................................. 47

    7.2.7 Anlisis del precalentador ....................................................................................... 48

    7.2.8 Anlisis del Desgasificador ..................................................................................... 49

    7.2.9 Anlisis de las Bombas de Agua de alimentacin ................................................... 50

    7.2.10 Anlisis del intercambiador de calor ....................................................................... 51

  • II

    7.2.11 Clculo de potencias ................................................................................................ 52

    7.2.12 Rendimiento del ciclo de vapor ............................................................................... 53

    7.2.13 Diseo del alternador .............................................................................................. 53

    7.3 Produccin elctrica ....................................................................................................... 54

    7.3.1 Produccin elctrica solar ....................................................................................... 54

    7.3.2 Produccin elctrica con caldera auxiliar ................................................................ 57

    7.3.3 Estudio de disponibilidad ........................................................................................ 58

    8 Resumen de caractersticas de la planta termoelctrica ........................................................ 62

    9 Ahorro de emisiones de CO2 ................................................................................................. 64

    10 Conclusiones ......................................................................................................................... 66

    11 Bibliografa ........................................................................................................................... 68

    DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONMICO

    1 Consideraciones..71

    1.1 Marco regulatorio...71

    2 Inversin del proyecto y anlisis econmico.73

    2.1 Inversin necesaria..73

    2.2 Costes...75

    2.2.1 Costes del combustible auxiliar....75

    2.2.2 Costes de operacin y mantenimiento..76

    2.2.3 Coste del agua...76

    2.2.4 Coste de los seguros de la planta..77

    2.3 Ingresos...............77

    2.3.1 Precio de venta de la electricidad.77

    2.4 Anlisis econmico........79

    3 Valoracin del proyecto.81

    3.1 El Valor Actual Neto (VAN)......81

    3.2 Tasa Interna de Rentabilidad (TIR)........81

    3.3 Pay back o plazo de recuperacin......82

    ANEXOS

    ANEXO A: CLCULOS.85

    ANEXO B: DATOS METEORLIGOS Y TERMODINMICOS...95

    ANEXO C: ESPECIFICACIONES...102

  • III

    Indice de figuras

    DOCUMENTO 1: MEMORIA

    Figura 2-1: Vista area de las centrales termosolares de Andasol ................................................ 4

    Figura 2-2: Central Nevada Solar One .......................................................................................... 5

    Figura 2-3: Localizacin de la planta termo solar ......................................................................... 6

    Figura 2-4: Ubicacin de la parcela a utilizar en el proyecto ........................................................ 7

    Figura 2-5: Irradiacin solar mundial ............................................................................................ 8

    Figura 4-1: Filas de colectores SKAL-ET ................................................................................... 16

    Figura 4-2: Parte de atrs de un colector Solargenix ................................................................... 16

    Figura 5-1: Tubo absorbedor Siemens uvac 2010 ....................................................................... 18

    Figura 5-2: Planta de Schott en Aznalcllar (Sevilla) ................................................................. 20

    Figura 7-1: Distribucin general de la planta solar termoelctrica ............................................. 22

    Figura 7-2: Optimizacin SM en funcin del almacenamiento y coste de la energa..........31

    Figura 7-3: Balance de prdidas pticas...33

    Figura 7-4: Diagrama del ciclo agua vapor ................................................................................. 36

    Figura 7- 5: Produccin elctrica bruta anual ............................................................................. 56

    Figura 8-1: Croquis de la planta termosolar ................................................................................ 63

    Figura 9-1: Emisiones de CO2 por tecnologa ............................................................................. 64

    DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONMICO

    Figura 2-2: Porcentaje de la inversin que representa cada parte de la central....74

    Figura 2-3: Evolucin del pool de medio anual de mercado en base a 24 horas.78

    Indice de tablas

    DOCUMENTO 1: MEMORIA

    Tabla 2-1: Radiacin normal directa en Torre Pacheco, Regin de Murcia ................................. 9

    Tabla 2-2: Principal legislacin que aplica el sector de la energa termoelctrica ...................... 11

    Tabla 2-3: Limitacin de horas equivalentes de funcionamiento con derecho a prima. ............. 13

    Tabla 4-1: Comparativa entre colectores Solargenix y Eurotrough ............................................ 17

    Tabla 5-1: Comparativa entre tubos absorbedores de Schott y Siemens.................................... 19

    Tabla 7-1: Principales caractersticas del colector ...................................................................... 24

    Tabla 7-2: Horas de almacenamiento y SM en la simulacin ..................................................... 31

    Tabla 7-3: Caractersticas principales del fluido trmico ............................................................ 37

  • IV

    Tabla 7-4: Caractersticas principales del sistema agua-vapor ................................................... 38

    Tabla 7-5: Produccin elctrica bruta por meses ........................................................................ 56

    Tabla 7-6: Produccin de energa bruta ...................................................................................... 58

    Tabla 7-7: Grado de carga de la central ...................................................................................... 60

    Tabla 8-1: Principales caractersticas de la planta ....................................................................... 62

    Tabla 9-1: Emisiones de CO2 con diferentes tecnologas de generacin..................................... 65

    DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONMICO

    Tabla 2-1: Desglose de la inversin necesaria..73

    Tabla 2-2: Retribucin de las diferentes tarifas77

    Tabla 3-1: Valores del VAN para las dos tarifas..81

    Tabla 3-2: Valores del TIR para las dos tarifas82

    Tabla 4-3: Pay back para las dos tarifas...82

  • V

    RESUMEN

    El presente proyecto se centra en el diseo de una planta termosolar de 50 MW de

    potencia utilizando colesctores cilindro parablicos (CCPs). Para ello, se parte de una

    parcela disponible de hasta 197 ha situada en la Regin de Murcia, Espaa. Se van a

    tratar aspectos como el diseo de la planta solar, que implica el dimensionamiento de

    los espejos de los CCPs, las estructuras de soporte, la eleccin del fluido conductor de

    calor (sales fundidas o aceite sinttico), as como una determinacin de los principales

    parmetros y equipos utilizados en la central elctrica que acompaa a la planta

    termosolar. Para determinar la viabilidad del proyecto se abordarn aspectos

    econmicos y de rentabilidad del proyecto como inversin necesaria y periodo de

    retorno teniendo en cuenta la legislacin actual.

    ABSTRACT

    This Project is focused on the design of a 50 MW power plant using parabolic trough

    collectors. As a background, a 197 hectares plot is already available which is located at

    the region of Murcia, Spain. Several aspects connected to the design of the power

    plamnt are going to be determined such as the kind of trough collectors and the

    extension of the solar field, support, HTF and the main parameters and devices belong

    to the power station which will be attached to the power plant. In order to settle the key

    economic factors as well as the feasibility of the present project, an extensive research

    will be accomplished.

  • CENTRAL TERMO SOLAR DE 50 MW EN MURCIA CON COLECTORES CILINDRO PARABLICOS

    DOCUMENTO 1: MEMORIA

  • 2

    1 Objetivo y alcance

    El objetivo de este proyecto es el diseo de una planta termosolar con una potencia de

    50 MWe utilizando la tecnologa de colectores cilindro parablicos (en adelante, CCPs)

    a la que ir asociada una central elctrica que producir energa elctrica que se

    comercializar en el Mercado Elctrico Espaol conforme a la legislacin vigente.

    As mismo, el alcance del proyecto abarcar diferentes aspectos que se pueden clasificar

    en tres grandes apartados.

    Los relacionados con el diseo de la planta solar: dimensionamiento de los

    espejos de los CCPs y el modelo ms indicado teniendo en cuenta las

    condiciones de la localizacin, la eleccin del fluido caloportador (y el tipo

    de tubo absorbedor a emplear.

    Los principales elementos de la central elctrica: Intercambiadores de calor,

    turbina, generador, condensador y as como parte elctrica (alternador y

    transformador elctrico).

    Aspectos econmicos y de rentabilidad del proyecto: Inversin necesaria y

    periodo de amortizacin teniendo en cuenta la legislacin actual.

    En principio se parte de una parcela situada en La Regin de Murcia de la cual el cliente

    es el nico propietario con suficiente extensin para alojar todos los elementos de los

    que consta la planta solar y su central elctrica.

  • 3

    2 Antecedentes El continuo aumento del consumo energtico en el mundo derivado de un extraordinario

    crecimiento de la poblacin mundial, junto al crecimiento del consumo per capita de

    estos recursos obliga a una constante bsqueda de nuevos recursos energticos que

    puedan satisfacer dicha demanda, tanto desde el punto de vista cuantitativo como

    cualitativos o de diversidad.

    Para una perfecta sintonizacin entre tecnologa y naturaleza, es necesario desarrollar

    otras fuentes energticas que sean menos agresivas contra el ambiente que los

    combustibles fsiles y que al mismo tiempo reporte un beneficio econmico para quien

    decide en invertir en ella. Es el caso de la tecnologa aplicada en este proyecto, la

    energa solar trmica de concentracin con CCPs.

    2.1 Experiencias anteriores en Plantas Termosolares

    El gran desarrollo de la tecnologa de CCPs se produjo durante los aos 70, propiciado

    por el incremento del precio del petrleo. Esto dio lugar al desarrollo de los dos

    primeros proyectos de esta ndole.

    La planta experimental IEA-SSPS (International Energy Agency Small Solar

    Power System), de 500 kWe, instalada en 1981, que se enmarcaba dentro de un

    proyecto de colaboracin de I+D impulsado por la Agencia Internacional de la

    Energa.

    Las plantas SEGS (Solar Electricity Generating Systems), con una potencia

    nominal total de 340 MWe, desarrolladas comercialmente por un grupo de

    empresas americanas, israelitas y alemanas, y explotadas por Luz Internacional

    Inc., en Los ngeles, CA, EEUU.

    Los aos posteriores se caracterizaron por un estancamiento, incluso recesin, en este

    campo. En la actualidad, diversos factores, como la preocupacin generalizada por el

    cambio climtico y el desarrollo sostenible, as como el creciente precio de los

  • 4 combustibles fsiles, han provocado que muchas empresas y grupos de investigacin

    vuelvan a interesarse por la energa solar.

    Todas las plantas de este tipo, que se estn construyendo con fines comerciales, se

    caracterizan por emplear la tecnologa convencional del aceite como fluido trmico en

    el campo solar. Algunos ejemplos de centrales de este tipo de centrales son:

    Andasol es un complejo solar en la provincia de Granada, que consta de tres

    centrales de cilindro parablicos, de 50 MWe cada una, llamadas Andasol-1,

    Andasol-2 y Andasol-3. La planta Andasol-1 ocupa un total de 510 120 m2, con

    lazos de colectores cilindro parablicos SKAL-ET, y almacenamiento indirecto

    en tanques de sales fundidas con una capacidad total de 6 horas. En la figura 2-1

    muestra la extensin de estas plantas.

    Figura 2-1: Vista area de las centrales termosolares de Andasol

    La central termosolar de Puertollano, propiedad de Iberdrola (90%) y del IDAE

    (10%), es una planta convencional de CCPs de aceite, de 50 MWe, situada cerca

    de la central de ciclo combinado de Elcogas, en Ciudad Real. La central consta

    con 88 lazos de colectores.

  • 5

    La planta Solnova 1, de 50 MWe, es la primera de cinco plantas de CCPs que se

    van a construir en Sanlcar la Mayor, en Sevilla. Todas estas plantas responden

    esquema convencional de tecnologa HTF con aceite como fluido de trabajo en

    el campo solar. La planta Solnova 1 no tiene almacenamiento e hibrida con una

    caldera convencional de gas natural. El campo solar est formado por 90 lazos y

    cada lazo cuenta con 4 colectores, desarrollo propio de Abengoa. Cada mdulo

    se articula en su punto medio mediante un mecanismo que permite el

    seguimiento del sol en un eje.

    Nevada Solar One es la planta termosolar ms grande que se ha construido en

    Estados Unidos desde la ltima SEGS, en 1991. La planta, propiedad de

    Solargenix y Acciona, tiene una capacidad nominal de 64 MWe, y produce

    anualmente ms de 130 000 millones de kWh. Est compuesta de 357 000 m2 de

    CCPs Solargenix de 2 generacin. La figura 2-2 muestra una vista area de la

    central de Acciona.

    Figura 2-2: Central Nevada Solar One

  • 6 2.2 Localizacin y tamao de la central termosolar La planta termosolar que ocupa este proyecto va a estar situada en el trmino municipal

    de Torre Pacheco, en la Comunidad Autnoma de Murcia. Sus coordenadas geogrficas

    son:

    Latitud: 3751 98 N

    Longitud: 16 10 W

    Este municipio est dentro de la comarca de Cartagena y tiene una poblacin de 31 495

    habitantes, segn datos del Instituto Nacional de Estadstica de 2009. El ncleo urbano

    cercano ms representativo a la planta es el de Balsicas, dentro del mismo trmino

    municipal y que cuenta con 2 983 habitantes segn tambin datos del Instituto Nacional

    de Estadstica de 2009. Ms all de los datos de poblacin cercana a la planta, destacar

    la cercana de la zona industrial de Cartagena,consumidora de grandes cantidades de

    energa. La localizacin de la planta se observa en la figura 2-3.

    Figura 2-3: Localizacin de la planta termosolar

  • 7 En concreto, la parcela de la que se dispone tiene una extensin de 197 ha, ms que

    suficiente, como se ver en posteriores captulos para albergar una planta termosolar de

    las caractersticas de este proyecto.

    La imagen que se muestra en la figura 2-4 ha sido obtenida a travs del Sistema de

    Informacin Geogrfica de parcelas agrcolas (SIGPAC), es una

    aplicacin SIG del Gobierno de Espaa (Ministerio de Agricultura, Alimentacin y

    Medio Ambiente) que permite identificar geogrficamente las parcelas declaradas por

    los agricultores y ganaderos.

    El sistema consta de un mosaico de ortofotos digitales que abarcan toda Espaa, sobre

    las que, inicialmente, se superponen los planos parcelarios de catastro de rstica, de

    forma que, para cada referencia concreta, el sistema proporciona automticamente la

    imagen en pantalla de la parcela referenciada, permitiendo asimismo su impresin en

    papel.

    Figura 2-4: Ubicacin de la parcela a utilizar en el proyecto

    2.3 Idoneidad de la localizacin

    La energa termosolar de concentracin emplea la luz solar directa, conocida como

    radiacin global directa. Se trata de la luz del sol que no es desviada por las nubes, el

  • 8 humo o el polvo en suspensin existente en la atmsfera y que llega a la superficie

    terrestre en forma de rayos paralelos para poder ser concentrados.

    Por lo tanto, este tipo de centrales para que sean viables slo tendrn sentido que se

    instalen en lugares que reciban una gran cantidad de sol al ao. Especialmente son

    propicias las regiones ridas y semiridas del planeta, donde la poca nubosidad no

    interfiere en los valores de la radiacin directa.

    Las regiones que cuentan con mejores condiciones atmosfricas para instalar centrales

    termosolares son: Norte y Sur de frica, los pases mediterrneos, lugares desrticos de

    la India y Pakistn, Oriente Prximo y Oriente Medio, partes de Brasil y Chile, Mxico,

    la zona Sur-Oeste de Estados Unidos y Australia.

    Segn el estudio de Greenpeace en 2009, Energa solar trmica de concentracin, las

    zonas del planeta que cuenten con una cuota de irradiacin solar anual de al menos

    2 000 kWh/m2ao. (Las mejores localizaciones para este tipo de plantas reciben ms de

    2 800 kWh/m2ao) son adecuadas para la instalacin de una central con CCPs .La figura

    2-5 muestra los distintos valores de irradiacin en el mundo.

    Figura 2-5: Irradiacin solar mundial Para este proyecto, se parte de la premisa de que la parcela que se quiere utilizar como

    localizacin de la planta termosolar est situada en la Regin de Murcia, y por lo tanto

    no da lugar a debate sobre donde instalarla, sino ms bien, si su instalacin es

    recomendable atendiendo a las caractersticas solares de ese emplazamiento en

    concreto.

  • 9 Se va a llevar a cabo un estudio para poner de manifiesto que el emplazamiento es

    adecuado.

    Los datos de radiacin normal directa que a continuacin se van a presentar para el

    emplazamiento se ha obtenido de la base de datos meteorolgicos de los que dispone la

    NASA (www.eosweb.larc.nasa.gov)

    En dicha base de datos, introduciendo los datos de longitud y latitud de un lugar

    geogrfico se puede obtener toda clase de datos solares y atmosfricos, con un

    interrvalo de tiempo que hace referencia a los ltimos 22 aos y de esta manera analizar

    conforme a los criterios anteriormente nombrados que el emplazamiento es adecuado y

    porqu.

    La tabla 2-1 muestra los valores de radiacin normal en Torre Pacheco, Regin de

    Murcia, cuya situacin geogrfica es 37 51 Latitud Norte y 1 6 Longitud Oeste.

    Tabla 2-1: Radiacin normal directa en Torre Pacheco, Regin de Murcia.

    FUENTE: Base de datos meteorolgicos NASA

    Se observa que el resultado medio anual es de 5,68 kWh/m2da, para poder compararlo

    con los criterios anteriores multiplicamos ese valor por 365 das obtenindose una

    irradiacin solar anual de 2 073,2 kWh/m2ao, mayor que los 2 000 kWh/m2ao

    requeridos, lo que hace que esta zona se considere como ptima desde el punto de

    vista solar para la instalacin de una central termosolar.

  • 10 Por lo tanto queda justificado que la zona donde se dispone la parcela es totalmente apta

    para el diseo de una planta termosolar como la que se quiere proyectar.

    2.4 Geologa del terreno

    El terreno que va a ser utilizado se encuentra dentro de la Hoja de Fuente lamo (37-

    38), perteneciente en su totalidad a la provincia de Murcia, enmarcada dentro del

    llamado Campo de Cartagena, que corresponde a la cuenca negeno-cuaternaria del Mar

    Menor, situada sobre el dominio Btico.

    En cuanto a posibles riesgos geolgicos que pueden surgir se tiene que:

    Inundabilidad: En base al Mapa de Riesgos Geolgicos para Ordenacin Urbana

    de Murcia, el rea estudiada se sita en una zona que no es potencialmente

    inundable.

    Estabilidad de laderas: El grado de peligrosidad por movimiento de laderas es

    nulo.

    Erosionabilidad: De acuerdo con el mapa de riesgos geolgicos la intensidad de

    la erosionabilidad en el rea estudiada es dbil.

    Por lo tanto queda justificado que la zona donde se dispone la parcela es totalmente apta

    para el diseo de una planta termosolar desde el punto de vista geolgico.

    2.5 Infraestructura y servicios.

    La planta como ya se ha dicho anteriormente est situada en la Comunidad Autnoma

    de Murcia cuenta con los siguientes accesos:

    Por avin: Aeropuerto de San Javier (a 30 km aprox.).

    Por tren: Estaciones de tren cercanas a la localizacin del proyecto como las de

    Torre Pacheco o Corvera.

    Por carretera: la planta solar se situar cerca de la interseccin entre la autova

    de Murcia A-30 y la autova C-3319.

  • 11 Muy cercana a la planta se puede observar el recorrido en paralelo a la Autovia A-30 de

    la lnea de 220 kV proveniente de la subestacin de San Javier II. En la actualidad, est

    en fase de construccin, desde Octubre de 2011 una subestacin ms cercana a la planta,

    en el trmino municipal de Torre Pacheco, llevada a cabo por Iberdrola, que servir

    como punto para entregar la energa elctrica producida desde la planta termosolar.

    2.6 Marco regulatorio espaol para el sector termoelctrico

    Desde la puesta en marcha de las primeras centrales termoelctricas en Espaa, la

    regulacin de estas ha pasado por diferentes etapas regidas por diferente regularizacin.

    La tabla 2-2 muestra un breve esquema del marco regulatorio espaol para el sector

    termoelctrico desde su creacin.

    Tabla 2-2: Principal legislacin que aplica el sector de la energa termoelctrica

  • 12 Los aos 2009 y 2010 fueron dos aos de incertidumbre en el sector de las energas

    renovables, y en concreto para la energa solar termoelctrica debido a la publicacin

    del RD 6/2009, de 30 de abril, por el que se adoptan determinadas medidas en el sector

    energtico, la aprobacin del PANER (Plan de Accin de Energas Renovables) 2011-

    2020, la propuesta del Real Decreto por el que se regulan y modifican determinados

    aspectos relativos al rgimen especial y el informe de la CNE a esta propuesta del Real

    Decreto.

    Finalmente, El pasado 23 de noviembre 2010 se public en el BOE el Real Decreto

    1565/2010, por el que se regulan y modifican determinados aspectos relativos a la

    actividad de produccin de energa elctrica en rgimen especial. Este RD, a pesar del

    retraso acumulado tras ms de un ao de negociaciones con los diferentes sectores

    implicados, fue bien acogido por el sector de la energa solar termoelctrica ya que se

    avanza en la simplificacin administrativa, agilizando los procedimientos mediante la

    utilizacin de medios electrnicos en la medida de lo posible. Adems, se introduce una

    disposicin para instalaciones solares termoelctricas de carcter experimental e

    innovador, para promocionar la I+D+i como pieza fundamental para conseguir el

    objetivo de reduccin de costes.

    Sin embargo, el RD publicado en noviembre dejaba sin definir algunos detalles del

    nuevo rgimen econmico para las tecnologas elica y solar termoelctrica. Esto se

    subsan en el Real Decreto 1614/2010 de 7 de diciembre en el que, en lo que atae al

    sector solar termoelctrico, se acuerda lo siguiente:

    Limitacin del nmero de horas equivalentes de funcionamiento con derecho a

    prima de las instalaciones. Segn el punto tres del artculo numero dos des este

    RD, las horas equivalentes de referencia para las instalaciones de tecnologa

    solar termoelctrica sern las mostradas en la tabla 2-3.

  • 13

    Tabla 2-3: Limitacin de horas equivalentes de funcionamiento con derecho a prima

    2.7 Eleccin del tamao de la planta termosolar

    En este caso en concreto, el tamao de la planta va a venir condicionado

    fundamentalmente por la legislacin actual.

    El gobierno espaol estableci en el RD 661/2007, de 25 de mayo un techo de 50 MW

    para proyectos de concentracin solar, por encima del cual, no se aplicaran las tarifas

    del rgimen especial. Sin estas tarifas sera muy difcil el desarrollo comercial de este

    tipo de centrales en estos momentos.

    Diferentes estudios apuntan a que el tamao ptimo para las plantas de concentracin

    solar en Espaa asciende a 150 MW, aunque la experiencia tambin muestra que

    mantener las instalaciones en tamaos ms bajos tiene sus ventajas.

    En plantas cilindro parablicas, el aumento del tamao de las instalaciones, aparte del

    incremento del coste de la planta, implicara tambin la necesidad de mayor aislamiento

    para evitar prdidas de calor debido al aumento del tamao y por lo tanto de las

    distancias.

    Por lo tanto la planta de concentracin solar de colectores cilindro parablicos se

    dimensionar para una potencia de 50 MW.

  • 14

    3 Metodologa La metodologa seguida para llevar a cabo el presente proyecto se va a describir

    mediante un breve resumen del trabajo realizado segn su orden cronolgico. Se divide

    en cinco fases.

    La primera fase ha sido el anlisis de la conveniencia de la localizacin de la parcela

    origen para la instalacin de una planta termosolar en la misma. Esto se ha conseguido

    teniendo en cuenta una serie de datos relacionados con la cantidad de energa solar que

    se recibe en esa zona as como las caractersticas del terreno. Adems se ha establecido

    la potencia de la planta.

    Seguidamente, se han decidido los principales equipos que van a ser utilizados en la

    central, tales como el tipo de colector, el fluido caloportador y el tubo absorbedor entre

    otros, haciendo una comparacin entre ellos y determinando cual se ajusta mejor a la

    planta que se disea en este proyecto y utilizando como referencia algunas de las plantas

    de este tipo que ya estn en funcionamiento.

    A continuacin, se han calculado los principales parmetros de la central termosolar,

    tanto en lo que respecta al campo solar en s como a la central elctrica que le

    acompaa, esto se ha hecho siguiendo mtodos de clculo que sern explicados en

    captulos posteriores y de nuevo tomando como referencia plantas ya existentes.

    Adems, se ha llevado a cabo un amplio estudio econmico con el objetivo de

    confirmar la viabilidad del proyecto as como los aspectos econmicos ms

    significativos.

    Como quinto y ltimo paso, la obtencin de las conclusiones a partir de los resultados

    obtenidos en las fases anteriores.

  • 15

    4 Eleccin del CCP a emplear en la planta termosolar

    El CCP es un tipo de colector de concentracin con foco lineal que est formado por

    una serie de espejos cilindros parablicos que refleja la radiacin solar directa

    concentrndola sobre un tubo absorbedor colocado en la lnea focal de la parbola. Esa

    radiacin concentrada hace que el fluido que circula por el interior del tubo se caliente,

    transformndose as en energa trmica.

    Histricamente, cuatro han sido los colectores que se han utilizado en plantas de

    similares caractersticas a las de este proyecto: colectores LS-2, LS-3, Solargenix y

    colectores Eurotrough.

    Hay que decir que los colectores LS-2 y LS-3, que pertenecan a la desaparecida

    empresa Luz, ya no estn disponibles comercialmente, por lo que aunque se hace

    referencia a ellos en este apartado, no se van a analizar y comparar con el resto de

    colectores debido a la imposibilidad de instalacin, pero debido a la gran importancia

    que tuvieron en el desarrollo de los CCPs ms actuales, como sus antecesores se ha

    credo conveniente al menos nombrarlos.

    Se vern los otros dos tipos de colectores nombrados anteriormente, el Solargenix y el

    Eurotrough, ambos han demostrado una gran eficiencia en los proyectos en los que han

    intervenido.

    Tras la desaparicin de Luz, un consorcio de empresas y laboratorios de investigacin

    europeos (Inabensa, Fichtner Solar, Flabeg Solar, SBP, Iberdrola, Ciemat DLR, Solel,

    CRES), inici el desarrollo del diseo de un nuevo colector basndose en las

    experiencias de los colectores Luz y con la intencin de aunar en l todos los

    conocimientos adquiridos en el diseo del LS-2 y LS-3.

    El colector Eurotrough utiliz un diseo de armazn soporte o torque box. Consiste

    bsicamente en un armazn rectangular con brazos soporte, as consigue combinar una

    mayor resistencia a la torsin con una menor cantidad de acero utilizado en su

  • 16 fabricacin. Menos componentes, menos costos, ms eficiente. El aspecto es el que se

    muestra en la figura 4-1.

    Figura 4-1: Filas de colectores SKAL-ET

    La empresa Solargenix Energy apoyada por el departamento de energa de EE.UU. ha

    desarrollado un nuevo colector cilindro parablico tambin de ltima generacin. La

    estructura del colector de Solargenix est hecha de aluminio extruido y utiliza una

    estructura de diseo espacial.

    Las ventajas de este tipo de colector son que pesa menos que los de acero, requiere de

    muy pocos elementos de fijacin, no necesita de una soldadura o fabricacin

    especializada y se monta fcilmente. En la figura 4-2 se muestra su aspecto.

    Figura 4-2: Parte de atrs de un colector Solargenix

  • 17 En la Tabla 4-1 se muestran las caractersticas principales de ambos colectores. Los

    datos que se aportan corresponden a los modelos de ltima generacin dentro de cada

    tipo de colector. Para el modelo Solargenix se dan las caractersticas del SGX-2, y para

    el modelo Eurotrough se dan las caractersticas del SKAL-ET, dicho colector esta

    fabricado por la empresa Flagsol.

    Tabla 4-1: Comparativa entre colectores Solargenix y Eurotrough

    El colector que se va a elegir para la planta termosolar va a ser el Eurotrough y ms

    concretamente el modelo de ultima generacin SKAL-ET 150 de la empresa Flagsol.

    Los puntos fuertes de este colector son:

    La elevada rigidez del colector, y un rendimiento optico del 80% y le permite

    operar en condiciones de viento mas desfavorables, aumentando su rendimiento,

    apropiado debido a las ocasionales rachas de viento en esta zona.

    Es un colector producido a gran escala, lo que hace que comercialmente tenga

    un precio bastante competitivo 210 /m2aprox.

    Permite su construccin en el mismo campo solar reduciendo as los costes de

    fabricacin.

  • 18

    5 Eleccin del tubo absorbedor a emplear en la planta

    El tubo absorbedor es uno de los elementos ms importantes que componen un colector

    cilindro parablico, es en l donde la energa solar radiante se convierte en energa

    trmica por lo que el rendimiento global del colector depende en gran medida de este

    elemento.

    Esquemticamente, los tubos absorbedores que se utilizan en las plantas termosolares

    estn constituidos por dos tubos concntricos, uno interior metlico, por el que circula el

    fluido caloportador, y otro exterior de vidrio. Esta configuracin es la que se observa en

    la figura 5-1.

    Figura 5-1: Tubo absorbedor Siemens uvac 2010

    Es bsico que el tubo metlico cuente con un recubrimiento selectivo el cual le va a

    conferir una elevada absortividad y una baja emisividad en el espectro infrarrojo, as se

    consigue que los tubos absorbedores tengan elevados rendimientos trmicos.

    El tubo de vidrio que rodea exteriormente al tubo metlico tiene una doble funcin: la

    de reducir las prdidas trmicas por conveccin en el tubo metlico y la de proteger el

    recubrimiento selectivo de las inclemencias meteorolgicas, para ello entre el tubo

    metlico y el tubo de vidrio se hace el vaco. El tubo de cristal suele llevar tambin un

    tratamiento antirreflexivo en sus dos caras, para aumentar su transmisividad a la

    radiacin solar y consiguientemente, el rendimiento ptico del colector.

  • 19 En la actualidad slo dos fabricantes suministran tubos absorbedores para los nuevos

    proyectos de plantas termosolares comerciales, los dos son alemanes Siemens y Schott.

    En la tabla 5-1 se muestran los dos modelos de tubos absorbedores de ltima generacin

    que ofrecen cada una de estas dos marcas, el receptor Schott ptr 70 y el Siemens uvac

    2010. Ambos incorporan los ltimos avances tecnolgicos proporcionados por la gran

    experiencia acumulada por estas empresas en los ltimos aos en los distintos proyectos

    termosolares en los que han participado.

    Tabla 5-1: Comparativa entre tubos absorbedores de Schott y Siemens

    Como se puede apreciar, las diferencias que existen entre ambos son mnimas, tanto a

    nivel de diseo como a nivel de rendimiento trmico.

    En ambos, los extremos del tubo de vidrio van soldados, mediante una soldadura

    vidrio-metal, a un fuelle metlico que, a su vez, va soldado al tubo metlico.

    De esta forma se logra que exista una cmara de vaco entre el tubo metlico y el de

    vidrio, y al mismo tiempo se compensa la diferente dilatacin trmica de los tubos de

    vidrio y metal mediante el fuelle metlico.

  • 20 Los dos modelos utilizan recubrimientos selectivos tipo cermet en el tubo metalico

    absorbedor, realizados mediante procesos de sputtering o PVD (Physical Vapour

    Deposition).

    El principal problema de la mayora de este tipo de recubrimientos es que se degradan

    en contacto con el aire, de ah la necesidad de que exista una cmara de vaco entre el

    tubo metlico y el tubo de vidrio.

    Tambin cuentan con un recubrimiento antirreflexivo de alta resistencia al desgaste y

    que al mismo tiempo permite una elevada transmisin de la radiacin solar.

    Como se ha podido ver, cualquiera de los dos modelos de tubos absorbedores

    analizados cumple perfectamente con los requisitos que se le exigen a un elemento tan

    importante como este dentro de un colector cilindro parablico.

    Para este proyecto se contar con el Schott ptr 70 porque a diferencia del modelo de

    Siemens, este receptor se fabrica en Espaa, en la planta que la empresa tiene en el

    Parque de Actividades Medioambientales de Andaluca (PAMA) y cuyo edificio se ve

    en la figura 5-2 en Aznalcollar (Sevilla) y para el autor de este trabajo ello es razn

    suficiente.

    Figura 5-2: Planta de Schott en Aznalcllar (Sevilla)

  • 21

    6 Eleccin del tipo de fluido caloportador

    El fluido caloportador que normalmente se emplea en las plantas termosolares de CCPs

    actuales es el aceite sinttico Therminol VP-1. Hay abiertas unas lneas de investigacin

    en el campo de las sales fundidas pero hasta el momento su alto punto de fusin, de

    unos -142 C, obliga a disponer de resistencia elctricas en el interior de los tubos

    absorbedores con la complejidad tcnica que ello conlleva.

    Este aceite sinttico Therminol VP-1 trabaja bien hasta los 400 C aunque tiene el

    problema que su punto de congelacin es de 12 C, lo que obliga a mantener todo el

    circuito a una temperatura superior a ese valor, esto no suele ser un problema ya que la

    energa auxiliar que se consume para ello es muy pequea, adems a altas temperaturas

    se deber de presurizar para que no pase a fase vapor.

    Todas las caractersticas de este aceite vienen detalladas en el Anexo C de

    especificaciones pero las principales son las que se describen a continuacin:

    Caloportador: aceite trmico operando entre 12 y 400 C Temperatura de entrada/salida del campo solar: 293/393 C Prdidas trmicas: 10 %

    Para ver cul es la presin mnima a la que hay que mantenerlo, se recurre a las

    especificaciones tcnicas para saber cul es su presin de vapor a la mxima

    temperatura de trabajo (393 C) y aadirle unos 2 bar sobre ese valor para tener

    suficiente seguridad de que en ningn momento se nos evaporare el aceite. En el caso

    del aceite Therminol VP-1, su presin de vapor a 393 C es de 10 bar (segn

    especificaciones), por lo que deber mantenerse presurizado a 12 bar como mnimo.

  • 22

    7 Diseo de la planta solar termoelctrica

    La distribucin de la planta que se va a disear se muestra en la figura 7-1, procedente

    del propio fabricante de los CCPs a utilizar, Flagsol.

    Figura 7-1: Distribucin general de la planta solar termoelctrica

    La planta que se va a disear consta de las siguientes partes:

    Campo solar

    Sistema de transferencia de calor

    Bloque de potencia

    7.1 Campo solar

    El campo solar estar formado por los CCPs elegidos en el captulo 4, que son los

    colectores de tipo Eurotrough en su modelo SKAL-ET 150 fabricados por Flagsol, junto

    con los tubos absorbedores que se determinaron en el captulo 5, del fabricante Schott,

    modelo PTR 70, adems del fluido caloportador que en este caso se determin que va a

    ser el aceite sinttco Therminol PV-1.

  • 23 7.1.1 Parmetros de partida para el dimensionamiento del campo solar

    Para el dimensionado de una planta de potencia elctrica neta de 50 MW, utilizando la

    informacin disponible de las plantas actuales en funcionamiento, el rendimiento

    mximo del ciclo Rankine de una Central solar termoelctrica es del 38 %, por lo que la

    potencia trmica que debe suministrar el campo solar es de:

    50/0,38= 131,57 MWt

    El punto de diseo se ha fijado al medio da solar del da 15 de junio, por lo que se debe

    tener en cuenta que la potencia trmica til del campo solar en invierno va a ser mucho

    menor que en el punto de diseo

    Para fijar las temperaturas que debe tener el aceite a la entrada y salida del campo solar,

    se debe tener en cuenta el ciclo Rankine y el sistema de intercambio de calor aceite/agua

    de la central, por lo que dichas temperaturas a la entrada y salida del campo se fijan con

    un salto trmico de 100C, es decir:

    Tin= 293 C

    Tout=393 C

    Las coordenadas geogrficas, el valor del ngulo de incidencia y del modificador por

    ngulo de incidencia al medioda solar del 15 de Junio en la ubicacin de la planta, son:

    Latitud: 3751 98 N

    Longitud: 16 10 W

    Angulo de incidencia () =17,85.

    Modificador por ngulo de incidencia (K)= 0,994

    Como valor de diseo para la radiacin solar directa tomamos 820 W/m2, que es el

    valor obtenido medio a las 12 horas solar del mes de junio en el lugar de ubicacin de la

  • 24 central. Valor obtenido de la base de datos meteorolgicos de la NASA. Para la

    temperatura ambiente se asigna un valor de 27,5 C correspondiente a la media de

    temperaturas a las 12 horas solar de Junio entre los aos 2007 y 2011 segn la Agencia

    Estatal de Meteorologia (AEMET).

    Adems se tienen los siguientes valores de diseo correspondiente a las caractersticas

    tcnicas del colector y del tubo absordedor en la tabla 7-1, para ms informacin ver

    Anexo C.

    Tabla 7-1: Principales caractersticas del colector

    Area aperturura del Colector (m2) 817,5

    Longitud del tubo absorbedor (m) 148,5

    ext Tubo absorbedor (m) 0,07

    Factor interceptancia experimental tubo absorbedor 0,99

    Transmisividad cubierta tubo absorbedor 0,92

    Absortividad tubo absorbedor 0,95

    Reflectancia superficie 0,94

    Factor ensuciamiento 0,98

    Rendimiento trmico 0,96

    7.1.2 Caudal de aceite Therminol VP-1 por fila de CCP

    El caudal de aceite por cada fila de colectores en el punto de diseo ha de hacerse

    buscando que el valor del nmero de Reynolds sea siempre suficientemente elevado

    como para que se garantice una buena transferencia de calor en el interior del tubo

    absorbedor (rgimen turbulento completamente desarrollado). Para ello, se adopta

    un valor de 1,5x105 como valor del nmero de Reynolds en el caso ms desfavorable. El

    caso ms desfavorable que se estima es el invierno, que es cuando el caudal de aceite

    llega a ser slo un 23% el del verano, segn experiencias en otras centrales

    termoelctricas debido a la menor radiacin solar disponible en esa poca del ao para

    colectores con su eje orientado Norte-Sur. As pues:

  • 25

    =

    Donde

    = Viscosidad dinmica del fluido, expresada en kg/m.s

    V = velocidad del fluido expresada en m/s

    D = Dimetro interior de los tubos absorbedores, expresado en m

    = densidad del aceite, expresada en kg/m3

    Para la determinacin de los parmetros del aceite durante la fase de pre-diseo del

    campo solar es necesario adoptar una temperatura media, que en este caso es:

    (293 + 393) /2 = 343 C

    Si consideramos este valor medio de la temperatura del aceite en el campo solar, la

    viscosidad dinmica, "", es de 1,82610-4 Pas o kg/ms segn tabla de especificaciones

    tcnicas del aceite (ver Anexo C) y la densidad, , de 766,7 kg/m3.

    Puesto que el dimetro interior del tubo absorbedor de un colector Eurotrough es de 65

    mm, se puede despejar en la ecuacin la velocidad mnima que ha de tener el aceite

    dentro del tubo absorbente:

    =

    = 6,52 10 1,826 10

    766,7 0,065 = 2,389/

    Conociendo todos los parmetros precedentes, se obtiene el caudal msico a travs de la

    siguiente ecuacin:

    =

  • 26 Donde

    M = caudal msico, expresada en kg/s

    St = seccin transversal de los tubos absorbedores, expresada en m2

    Puesto que la densidad del aceite a 343 C es de 766,7 kg/m3 y el tubo absorbente tiene

    una seccin transversal de 33,1810-4 m2, el caudal msico para la velocidad dada es:

    = 2,389 33,18 10 766,7 = 6,079 !/

    7.1.3 Incremento de temperatura del aceite por colector

    Se calcula cual es el incremento de temperatura que puede alcanzar el aceite en el

    colector Eurotrough bajo las condiciones de diseo Para ello, primero hay que

    determinar las prdidas trmicas que van a tener lugar en el colector. El coeficiente

    global de prdidas trmicas viene dado por la ecuacin:

    "#)%&' = ( + * +,%&' ,%.&) + / +,%&' ,%.&)0

    Donde:

    UL)abs = Coeficiente global de prdidas trmicas, expresado en W/m2abs C

    El valor de los coeficientes "a", "b" y "c" de la ecuacin para una temperatura de trabajo

    del aceite igual o superior a 300C son: 2,8954; -0,0164 y 0,000065 respectivamente, de

    acuerdo con las tabla calculadas por el CIEMAT para el colector Eurotrough. Con lo

    que de la ecuacin se obtiene un valor de:

    "#)%&' = 2,895 0,016 +343 27,5) + 0,000065 +353 27,5)0

    = 4,317 20(*4

  • 27 Puesto que el rea total del tubo absorbente de un colector Eurotrough, cuya longitud es

    de 148,5 m, es de 32,65 m2, las prdidas trmicas en el colector cuya temperatura media

    del aceite es de 343C sern:

    567'' ="#)%&' 8%&' +,%&' ,%.&)

    Donde:

    Qloss = Prdidas trmicas en el colector, expresada en W

    567'' = 4,317 32,65 +343 27,5) = 44470,9382

    El rea total de espejos de los mdulos cilindro-parablicos que componen un colector

    Eurotrough es de 817,5 m2 de acuerdo con los datos del fabricante

    y la ecuacin de la energa solar incidente sobre el colector es:

    59: = 8; < cos+@)

    Donde:

    Qsol =Energa solar incidente en el colector expresada en W

    Ac = Area de apertura del colector, expresada en m2

    I = Radiacin global directa, expresada en W/m2

    = ngulo de incidencia, expresada en

    La energa solar disponible en la apertura del colector Eurotrough es de:

    5'76 = 817,5 820 cos+17,85) = 362442,1112

    Por otro lado, el modificador por ngulo de incidencia, K, considera todas las prdidas

    pticas y geomtricas que tienen lugar en el colector para un ngulo de incidencia

    (prdidas geomtricas de final de colector, bloqueo de la radiacin concentrada por

    parte de los soportes del tubo absorbente, y en la reflectividad de los espejos).

  • 28 El modificador por ngulo de incidencia, K, depende directamente del ngulo de

    incidencia, siendo el valor K una funcin que se determina experimentalmente. (para

    ms detalles del clculo de este parmetro consultar Anexo A y cuyo valor en este caso

    es 0,994

    Ahora se calcula la potencia trmica til que suministra un colector Eurotrough bajo las

    condiciones de diseo que se han establecido. Para ello se utiliza la ecuacin siguiente

    estableciendo un factor de ensuciamiento de 0,98:

    5BC6 = 8; < cos+) 7FB G HI JBK 567'' Donde:

    Qutil = Potencia trmica til, expresada en W

    7FB= Rendimiento ptico Fe = Factor de ensuciamiento

    JBK = Rendimiento trmico del colector

    Sustituyendo:

    5BC6 = 817,5 820 cos+17,85) 0,86526 0,994 0,98 0,96 44470,938= 471833,722

    Como, por otro lado, la potencia trmica til se invierte en aumentar la entalpa del

    aceite, se tiene la ecuacin:

    5LBC6 = +7LB CN) = P

    Si se expresa el incremento de entalpa, en funcin del calor especifico del aceite, cuya

    frmula viene dada por el fabricante (ver anexo A) y se integra entre las temperaturas de

    salida y de entrada en el colector, se obtienen las frmulas:

    471,833 = 6,079 +1,479 ,7LB + 0,0014 ,7LB0 553)

  • 29 Resolviendo la ecuacin de segundo grado se obtiene:

    ,7LB = 335,24

    Por consiguiente, el incremento de temperatura en un colector es de:

    335,2-293 = 42,2 C

    7.1.4 Nmero de colectores en cada fila

    Puesto que se desea tener un salto total de 100 C en cada fila de colectores, y en un

    colector se consigue un incremento de 42,2 C, el nmero de colectores a conectar en

    serie dentro de cada fila es:

    100/42,2 = 2,4colectores

    A la vista del n obtenido, en principio sera conveniente colocar 3 colectores por fila,

    sin embargo, desde el punto de vista constructivo, es conveniente elegir un nmero par

    de colectores, para que las filas se puedan disponer en forma de U y adoptar una

    configuracin del tipo alimentacin central para las tuberas del campo de colectores.

    As pues, se deja en 4 el nmero de colectores conectados en serie dentro de cada fila.

    Como hemos aumentado el nmero de colectores desde 2,4 a 4, el caudal de aceite por

    fila tiene que ser aumentado en la misma proporcin, de modo que el nuevo caudal de

    aceite que debe circular por cada fila de tres colectores es:

    6,079 (4/2,4)= 10,261 Kg/s

    Con este caudal de aceite la velocidad del fluido, V, se eleva hasta 4,03 m/s dando el

    caudal msico M, de 10,261 kg/s por cada 4 colectores.

    Con este caudal de aceite por fila se obtiene un nmero de Reynolds (1,1106) incluso

    superior al inicialmente previsto, por lo que no se pone en peligro una buena

    transferencia de calor en los tubos absorbedores.

  • 30 7.1.5 Nmero de lazos de la planta termoelctrica

    La potencia trmica til que suministrar cada fila en el punto de diseo ser:

    4 471,833 kWt = 1 887,334 kWt

    La planta, como se ha mencionado en los parmetros de partida, se disea para una

    potencia trmica de 131,578 MWt.

    Llegado a este punto de los clculos, se hace indispensable explicar el concepto de

    Multiplo Solar.

    El mltiplo solar es un concepto especfico de las centrales termoelctrica, y se define

    como el cociente entre la potencia trmica til que proporciona el receptor solar en

    condiciones de diseo respecto a la potencia trmica que requiere el ciclo de potencia en

    condiciones normales de funcionamiento. Es decir:

    Q = RSRT Donde:

    SM: Multiplo Solar

    PR: Potencia trmica til en condiciones de diseo, expresada en W

    PD= Potencia trmica del ciclo, expresada en W

    Como es lgico, no siempre se va a contar con esas condiciones de radiacin solar tan

    beneficiosas, por lo que se hace necesario sobredimensionar el campo solar, para que el

    bloque de potencia trabaje a pleno rendimiento ms horas (sino trabajara a plena carga

    muy poco tiempo), aunque esto conlleve el desperdicio de algo de energa en das con

    condiciones solares perfectas.

    Se recurre al programa informtico SAM para la obtencin del valor ptimo del

    Mltiplo Solar.

  • 31

    Datos de partida:

    Tamao de la planta 50 MW.

    El 15% de la electricidad generada por la central se consigue a partir de la

    combustin de gas natural.

    Los parmetros utilizados en la simulacin se muestran en la tabla 7-2 as como el

    resultado de esta simulacin en la figura 7-2.

    Tabla 7-2: Horas de almacenamiento y SM en la simulacin

    Figura 7-2: Optimizacin SM en funcin del almacenamiento y del coste de la energa.

    Como se observa en la grafica, para un sistema de colectores cilindro parablicos sin

    almacenamiento (horas del TES = 0), el coste optimo normalizado de la energa se

    produce aproximadamente a un mltiplo solar de 1,25. Debido a que sino el sistema

    solo funciona en su punto de diseo (mltiplo solar uno) muy pocas horas al ao.

  • 32 Sobredimensionar el sistema (mltiplos solares mayores que uno) le permite a este

    operar cerca del punto de diseo ms horas al ao. Un sistema con un campo solar de

    gran tamao produce ms electricidad, reduciendo as el coste normalizado de la

    energa. Esto ocurre hasta cierto punto, donde el mayor costo de la instalacin supera el

    beneficio de la produccin ms alta de energa.

    Teniendo en cuenta esto, para el caso del presente proyecto se tiene que la potencia

    trmica necesaria estar influida por un coeficiente SM de 1,25:

    131,571 MWt 1,25=164,473 MWt

    Para la obtencin del nmero de lazos bastara con hallar el cociente entre la potencia

    trmica requerida y la potencia trmica til que suministra cada fila de colectores, de la

    siguiente forma:

    164,144/1,887=87,14 lazos

    De esta manera, se establece que el campo solar estar formado por 88 lazos de 4

    colectores cada uno.

    Teniendo en cuenta que el rea de cada colector es de 817,5 m2, se estable la extensin

    del campo solar:

    884817,5=287 760 m2

    7.1.6 Calculo del rendimiento del campo solar

    El rendimiento del campo solar es el producto de una serie de factores, y para su clculo

    habr que tener en cuenta las posibles prdidas que surjan en el mismo, principalmente

    pticas y prdidas trmicas, adems de otros factores que intervendrn y que se irn

    desglosando en los siguientes apartados.

    J;,'76%U = H J7FB.FC;7 G+@) JWK

  • 33 Donde:

    : Reflectividad de la superficie

    F: Factor de ensuciamiento

    optico= Rendimiento ptico pico.

    K(@): Modificador por angulo de incidencia Th : Rendimiento trmico

    Las prdidas pticas del colector son debidas a que ni la superficie reflexiva del

    concentrador es un reflector perfecto, ni el vidrio que cubre al tubo absorbente metlico

    es totalmente transparente, ni la superficie selectiva del tubo metlico es un absorbente

    perfecto, ni la geometra del concentrador parablico es perfecta. Por lo tanto, la suma

    de todas estas imperfecciones provoca que solo una parte de la radiacin solar directa

    que incide sobre la superficie del concentrador parablico llegue al fluido que circula

    por el interior del tubo absorbente. En la figura 7-3 vienen reprentadas las diferentes

    prdidas.

    Figura 7-3: Balance de prdidas pticas

    De las caractersticas del colector Eurotrough, se sabe que su rendimiento ptico pico se

    calcula como:

    J7FBF = X Y Z

    Donde:

    = Factor de intercepcin

  • 34 Y= Transmisividad de la cubierta del tubo absorbedor =Absortividad de la superficie selectiva del tubo absorbedor

    El factor de intercepcin indica la eficiencia de los rayos de sol que van al tubo, ya

    que una fraccin de la radiacin solar reflejada por los espejos no alcanza la cubierta de

    cristal del tubo absorbedor debido a diferentes causas, como imperfecciones

    microscpicas o macroscpicas de los espejos, o errores de posicionamiento del

    colector.

    Estas imperfecciones y los posibles errores de seguimiento solar provocan que algunos

    rayos no intercepten al tubo absorbente durante su trayectoria despus de ser reflejados.

    En el caso de esta central se ha asignado un factor de interceptacin experimental de

    0,99.

    El tubo absorbedor metlico est situado dentro de una cubierta de cristal para disminuir

    las prdidas trmicas y proteger a la superficie selectiva. Una fraccin de la radiacin

    solar reflejada por los espejos y que alcanza la cubierta de cristal del tubo absorbedor no

    es capaz de atravesarlo. La razn entre radiacin que pasa a travs de la cubierta de

    cristal y la radiacin total incidente sobre ella da la transmisividad de dicha cubierta de

    vidrio.

    Segn la informacin proporcionada por el fabricante de tubos Schott, la transmisividad

    Y de la cubierta de cristal de su tubo absorbedor es de 0,92.

    La absortividad de la superficie selectiva, cuantifica la cantidad de radiacin incidente

    sobre la superficie selectiva que sta puede absorber. Segn la informacin del

    fabricante, la absortividad de sus tubos es de 0,95.

    As pues, las perdidas pticas pico del sistema tendrn el siguiente valor:

    [\]\ = 0,99 0,92 0,95 = 0,865 Adems, se tiene que el coeficiente indica la reflectividad de la superficie del colector

    parablico. Las superficies reflexivas de los colectores no son perfectas, por lo que solo

  • 35 parte de la radiacin incidente se refleja. Los valores de reflectividad disminuyen

    progresivamente conforme aumenta la suciedad en la superficie del colector, para el

    Eurotrough se considerara:

    = 0,94

    El factor de ensuciamiento de los colectores habr que tenerlo en cuenta adems para el

    clculo del rendimiento total. En este caso, se ha supuesto un factor de ensuciamiento

    del 0,98.

    Por otro lado, el modificador por ngulo de incidencia, K, considera todas las prdidas

    pticas y geomtricas que tienen lugar en el colector para un ngulo de incidencia.

    K=0,994

    El valor de las prdidas trmicas que tiene lugar en el tubo absorbedor segn el

    fabricante es de:

    Th = 0,96

    Una vez descritos los parmetros que intervienen en el clculo del rendimiento global

    del campo solar, el producto de todos ellos es el siguiente:

    J;,'76%U = H J7FB.FC;7 G+^) JWK

    J;,'76%U = 0,94 0,98 0,865 0,994 0,96 = 0,76

    J;,'76%U = 76%

  • 36 7.2 Sistema de transferencia de calor y bloque de potencia

    7.2.1 Descripcin del ciclo agua- vapor

    El ciclo aqu diseado tiene algunas particularidades derivadas de las condiciones que

    supone una planta de colectores cilindro-parablico.

    El factor fundamental es la baja temperatura del vapor vivo en comparacin con ciclos

    termodinmicos basados en otros combustibles.

    Los aceites trmicos disponibles tienen un lmite superior de temperatura ligeramente

    inferior a 400 C. Teniendo en cuenta las perdidas en las conducciones y las

    fluctuaciones de funcionamiento se ha considerado una temperatura del vapor vivo de

    377 C. S se toma como presin de diseo 100 bar, resultar que aproximadamente a 20

    bar se atraviesa la curva de saturacin del diagrama de Mollier. El ciclo de agua vapor

    que se va a implantar es el que se observa en la figura 7-4.

    Figura 7-4: Diagrama del ciclo agua-vapor

  • 37 Aunque la potencia de la planta no es muy alta, ser adecuado platear un ciclo

    regenerativo con dos cuerpos de turbina diferenciados: uno de alta y otro de baja

    presin, realizndose un recalentamiento intermedio.

    El vapor extrado de la turbina de alta, se enva al recalentador, el cual utilizado como

    fluido calefactor una porcin del aceite trmico en las mismas condiciones de

    temperatura del que fue enviado al sobrecalentador.

    De esta manera, el vapor recalentado alcanza un valor trmico similar al que se obtiene

    a la salida del sobrecalentador: 379 C, pero a una presin de 16 bares.

    En la turbina de baja se realizar una nueva extraccin para precalentar el condensado y

    optimizar el rendimiento termodinmico.

    Por lo tanto, las caractersticas principales de caudal, temperatura y presin a la entrada

    y salida de cada uno de los equipos que forman el sistema de generacin de vapor

    referente al lado del fluido trmico como de la turbina de vapor para el caso de

    funcionamiento al 100% de su capacidad son las que vienen indicadas en la tabla 7-3.

    Tabla 7-3: Caractersticas principales del fluido trmico Lado fluido Trmico

    Caudal Entrada Salida

    (kg/s) Temp. (C)

    (C)

    Presin (bar)

    (bar)

    Temp. (C)

    Presin (bar)

    (bar) Precalentador 236 317 12 299 11,5

    Vaporizador 236 380 13,9 317 12

    Sobrecalentador 236 395 14,4 380 13,9

    Recalentador 29,5 395 14,4 255 11,5

    Por otro lado, la tabla 7-4 indicas las caractersticas principales del lado de agua-vapor

    en el sistema.

  • 38

    Tabla 7-4: Caractersticas principales del sistema agua-vapor Lado Agua- vapor

    Caudal Entrada Salida

    (kg/s) Temp.(C) Presin(bar) Temp.(C) Presin(bar)

    Precalentador 52,77 247 115 315 110

    Vaporizador 52,77 315 110 315 105

    Sobrecalentador 52,77 315 105 377 100

    Recalentador 44,44 208 18,4 379 16

    Precalentador

    (lado de

    v.extraccin)

    5,55 175 3 120 3

    Precalentador

    (lado de

    condensacin)

    38,88 75,4 8 154,96 8

    Los valores de presiones y temperatura de entrada y salida tanto de la parte de vapor

    como del aceite del intercambiador se han tomado de las existentes en plantas de este

    tipo actualmente en funcionamiento, como las ltimas SEGS de EEUU o la planta de

    Andasol, que servirn como referencia real para realizar los clculos de entalpas y

    entropas para obtener el rendimiento termodinmico del ciclo.

    Se han considerado las siguientes hiptesis:

    El rendimiento isentrpico se define como el cociente entre el trabajo en el

    proceso real y el trabajo en el proceso reversible o isentrpico. De tal manera

    que el cociente entre ambos siempre resultara

  • 39 Wreal= Trabajo real, expresado en J

    Wisentrop= Trabajo Isentrpico, expresado en J

    Los intercambiadores de calor de la instalacin tanto los que proceden del

    circuito HTF como el condensador se comportan internamente de forma

    reversible

    La vlvula que lleva parte del vapor del recalentador al desgasificador tiene un

    comportamiento ideal.

    7.2.2 Anlisis de la turbina de Alta

    Para realizar el balance energtico de la turbina se ha tomado como dato de caudal del

    fluido a la entrada de la turbina unos 190 000 kg/h, que es el caudal aproximado que

    suelen utilizar las turbinas de Siemens, mientras que el caudal de la turbina de baja ser

    de 160 000 kg/h, ya que habr que tener en cuenta el valor del caudal de aporte al

    desgasificador.

    Los datos de presin y de temperatura a la entrada de la turbina son los siguientes:

    P= 100 bar

    T=377 C

    Los datos de entalpia y entropa necesarios se encuentran en las tablas de vapor

    sobrecalentado (ver anexo B). Al no tener el valor exacto de temperatura requerida en la

    tabla, se obtendrn los datos de entalpa y entropa deseados, interpolando entre 360 y

    400 C.

    m = mn + opqprsqsrt +u un)

    = 2962,1 + v3096,5 2962,1400 360 w +377 360)

  • 40

    = 6,006 + v6,212 6,006400 360 w +377 360) h4= 3 019,22 kJ/kg

    s4= 6,0935 kJ/Kgk

    A continuacin, se hace una extraccin a la presin y temperatura fijada por el

    recalentador:

    P= 18,4 bar

    T=208 C

    A esta presin, el fluido se encuentra en la zona del liquido saturado, por lo tanto se

    utilizan las tablas de lquido saturado (ver Anexo B). Este caso se calcula de la misma

    manera que el anterior.

    6 = 844,84 + v908,79 844,8420 15 w +18,4 15)

    x = 2792,2 + v2 799,5 2 792,220 15 w (18,4 15)

    hl= 888,326 kJ/kg y hv= 2 797,31 kJ/kg

    6 = 2,3150 + v2,4474 2,315020 15 w (18,4 15)

    x = 6,4448 + v6,3409 6,44820 15 w (18,4 15)

    sl= 2,4050 kJ/kgK y sv=6,374 kJ/kgK

  • 41 Si se tiene en cuenta la premisa de expansin isentrpica hasta la presin fijada por el

    recalentador, se obtiene s5s, que posteriormente se usar para calcular la entalpa y

    entropa reales teniendo en cuenta el rendimiento isentrpico:

    s4=s5s= 6,09355 kJ/kgK

    Con este valor de entropa se calcula el ttulo o cantidad de vapor saturado existente en

    la mezcla ideal y se obtiene el ttulo:

    6,09355 = 6(1 u) + x u = 2,4050 (1 u) + 6,3741 u

    x= 0,93

    Donde:

    sl= Entropa del lquido saturado, expresada en kJ/kgK

    sv=Entropa del vapor saturado, expresada en kJ/kgK

    x: Ttulo cantidad de vapor en la mezcla

    ' = 6 (1 u) + x u

    ' = 888,326 (1 0,93) + 2797,31 0,93

    Donde:

    hl= Entalpa del lquido saturado, expresada en kJ/kg

    hv=Entalpa del vapor saturado, expresada en kJ/kg

    ' = 2662,376 y/ !

    Conocida la hiptesis inicial de rendimiento isentrpico en la turbina de 0,85, se

    calculan a continuacin los valores de entalpa, entropa y titulo para la turbina real.

  • 42

    Ja'INB = ' = 0,85

    = + ' J = 3 019,22 + v2 662,376 3 019,22

    0,85 w

    h5=2 599,4 kJ/kg

    Donde:

    h5s: Entalpa del punto 5 ideal, expresada en kJ/kg

    h5: Entalpa del punto 5 real, expresada en kJ/kg

    isent: Rendimiento isentrpico

    = 2 599,40 = 6 (1 u) + x u = 888,326 (1 u) + 2 797,31 u

    x=0,8963

    = 6 (1 u) + x u = 2,4050 (1 0,8963) + 6,3741 0,8963

    s5=5,9626 kJ/ kgK

    7.2.3 Anlisis del recalentador

    Los valores del recalentador calculados en el apartado anterior son los siguientes:

    P5=18,4 bar

    T5=208C

    h5=2 599,4 Kj/kg

    x5=0,8963

    s5=5,926 Kj/kg

  • 43 A la salida del mismo, el fluido ha aumentado de nuevo su temperatura hasta 379 C

    mientras que ha disminuido ligeramente su presin, por lo tanto est de nuevo en la fase

    de vapor sobrecalentado. Para los valores de presin y temperatura de salida, se mira en

    las tablas correspondientes:

    P6=16 bar

    T6=379 C

    En este caso como en los anteriores, habr que interpolar al no disponer de los valores

    correspondientes a la temperatura del recalentador.

    z = 3145,4 + v3245,2 3145,4400 350 w +379 350)

    z = 7,0694 + v7,2374 7,0694400 350 w +379 350)

    z = 3208,5 y/ !

    z = 7,1668 y/ !

    7.2.4 Anlisis de la Turbina de Baja En la turbina de baja se realizar la expansin isentrpica del fluido hasta el valor de la

    presin del condensador.

    Los valores de entrada a la turbina de baja son los calculados para la salida del

    recalentador, mientras que a la salida de la misma se realizaron dos extracciones del

    fluido:

    En el cuerpo medio de la turbina se realizar una extraccin de vapor que ir a

    parar al precalentador, aumentando de esta manera el calor del fluido

    condensado y el rendimiento del ciclo. Este aporte de vapor al precalentador

    tendr un caudal de 30 000 kg/h, extrados del total que circula por la turbina.

  • 44

    En el cuerpo final de la turbina el fluido en forma de mezcla es enviado al

    condensador, donde se producir la condensacin del vapor en agua y vuelta a

    empezar el ciclo del vapor. El caudal que sale de la turbina en total es igual a

    130 000kg/h.

    Los valores de entrada a la turbina de baja son:

    P6=16 bar

    T6= 379C

    h6=3 208,5 Kj/kg

    s6=7,1668 Kj/kgK

    Extraccin del cuerpo medio de la Turbina de Baja:La extraccin de vapor del

    cuerpo medio de la turbina se realiza a la siguiente presin y temperatura:

    P11= 3bar

    T11=175C

    Por lo tanto el vapor de extraccin es un vapor sobrecalentado, y sus valores de entalpa

    y entrepa ideales se podrn obtener interpolando:

    nn' = 2782,3 + v2865,3 2872,3200 160 w +175 160)

    nn' = 7,1276 + v7,3115 7,1276200 160 w +175 160)

    Para el clculo de los elementos reales, se usa de nuevo el valor del rendimiento

    isentrpico.

    nn = z + vnn' zJ w = 3208,5 + v2813,48 3208,5

    0,85 w

  • 45

    nn = 2743,77 y/ !

    Para calcular la entropa real a la salida de la extraccin de vapor de la turbina de baja,

    se interpola el valor de la entropa obtenido con respecto a su superior e inferior.

    nn = 6,9919 + v 7,1276 6,99192728,3 2725,3w +2743,7 2725,3)

    nn = 7,035 y ! G

    Extraccin final de la turbina de baja: La extraccin del fluido expandido en la

    turbina con direccin al condensador, se producir en los siguientes valores:

    P7= 0,08 bar

    T7= 41,5C

    Por lo tanto el fluido se encuentra en la zona de lquido saturado, con un contenido

    porcentual en vapor que se halla teniendo en cuenta la hiptesis ideal de expansin

    isentrpica.

    z = {' = 7,1668 y ! G

    Con este valor de entropa se calcula el ttulo o cantidad de vapor saturado existente en

    la mezcla ideal (con los valores de la tabla de liquido saturado).

    7,1668 = 6 +1 u) + x u = 0,5926 +1 u) + 8,2287 u

    u = 0,8609

    Conociendo este valor del titulo, se obtiene:

  • 46

    {' = 6 (1 u) + x u = 173,88 (1 0,8609) + 2577 0,8609

    {' = 2242,726 y/ !

    Conocida la hiptesis inicial de rendimiento isntrpico en la turbina igual a 0,85; se

    obtienen a continuacin los valores de entalpa, entropa y ttulo para la turbina real.

    JC'INB = v{' z{ z w = 0,85

    { = v{' zJ w = 3208,5 + v

    2242,726 3208,50,85 w

    { = 2072,41 y/ !

    { = 20742,41 = 6 +1 u) + x u = 173,88 +1 u) + 2577 u

    u = 0,79

    { = 6 +1 u) + x u = 0,5926 +1 0,79) + 8,2287 0,79

    { = 6,625 y/ !

    7.2.5 Anlisis del condensador El vapor expandido que sale de la turbina de baja entra en el condensador con los

    siguientes valores iniciales.

    P7=0,08 bar

    T7= 41,51C

    h7=2072,41 kJ/kg

    x7=0,79

    s7=6,625 kJ/kgK

    Despus de pasar por los tubos del condensador, este vapor en forma de mezcla que

    compone el fluido se condensar por completo, pasando a agua lquida, por lo que sus

  • 47 datos de entropa y entalpa se podrn obtener directamente de la tabla de lquido

    saturado.

    h8=173,88 kJ/kg

    x8=0

    s8=0,5926 kJ/kgK

    7.2.6 Anlisis de las Bombas de Condensado

    A la salida del condensador se sitan las bombas de condensado, las cuales aseguran el

    paso de agua saturada hacia el precalentador y desgasificador, haciendo que el agua

    pase de agua saturada a lquido comprimido. Para el clculo de este lquido se usarn las

    ecuaciones de lquido ideal:

    | = 4 |, + } |~ = 4 |, + R

    = ' = 0,5926 y ! G

    Donde:

    C: Calor especfico, expresado en kJ/kgK

    }= Volumen especfico, expresado en m3/kg = Densidad del lquido, expresada en kg/m3

    Si se supone adiabtico este proceso de compresin, se puede hallar el valor de la

    entalpa ideal de las bombas de condensado:

    P8= 0,08 bar T8=41,5 C

    P9=8 bar T9=41,5 C

    | = R

  • 48

    h9s=174,673 kJ/kg

    Teniendo en cuenta la hiptesis del 85% de rendimiento isentrpico en bombas y

    turbina de la central, la entalpa real ser:

    = + v' J w

    173,88 + on{,z{0n{,, t

    = 174,81 y/ !

    7.2.7 Anlisis del precalentador Al precalentador llegan dos tipos de fluidos: por un lado el vapor de extraccin que

    procede del cuerpo medio de la turbina, el cual viene con alto poder calorfico y una

    presin media, y por otro lado el fluido del condensado y comprimido por las bombas

    de condensado. Estos fluidos no se llegan a mezclar an en el precalentador, nicamente

    intercambiaran calor. Por lo tanto habr que realizar los dos volmenes de control:

    Condensado:

    P10= 8 bar

    T10=154,96C

    h10=648,79 kJ/kg

    Vapor de extraccin:

    P12= 3 bar

    T12=120C

    h12=502,42 kJ/kg

  • 49 7.2.8 Anlisis del Desgasificador

    Al desgasificador llegan tres flujos distintos de lquido: el vapor procedente del bypass

    de turbina de alta, el extrado en el cuerpo medio de la turbina de baja, y el de

    condensacin, y en l se mezclan para eliminar el contenido en oxgeno y otros gases

    que pueden generar corrosin en los componentes del ciclo, estos flujos se mezclan cada

    uno a una presin y entalpa distinta para producir un conjunto en forma de lquido

    saturado que se dirigir a las bombas de agua de alimentacin. Se hace el balance de

    materia:

    n = &pF%'' + x%F7U;7N n + x%F7UIsBU%; n0

    Donde:

    : Caudal total de la instalacin, expresado en kg/s bypass: Caudal de vapor de condensacin, expresado en kg/s vaporextrac: Caudal de vapor de extraccin, expresado en kg/s vaporcond: Caudal de vapor de condensacin, expresado en kg/s

    Por lo tanto:

    n = v44,44 2 599,4 + 38,88 648,79 + 5,55 502,4252,77 w

    n = 941,18 y/ !

    Para obtener el valor de la entropa habr que ver que contenido de vapor que tiene la

    mezcla que se obtiene a la salida del desgasificador a la presin de salida del mismo,

    que ser de 8 bares.

    n = 941,18 = 6 (1 u) + x u = 721,11 (1 u) + 2 048 u

    u = 0,165

  • 50

    n = 6 (1 u) + x u = 2,0462 (1 u) + 6,6628 u

    n = 2,812 G 7.2.9 Anlisis de las Bombas de Agua de alimentacin Las bombas de agua de alimentacin impulsan el fluido de nuevo para recorrer el ciclo

    de potencia, sus valores de entrada sern los siguientes:

    P13=8 bar

    T13= 170,4 C

    h13=941,18 kJ/kg

    s13=2,812 kJ/kgK

    x=0,165

    La bomba realiza una compresin adiabtica y reversible en el caso idea, que lleva al

    fluido hasta la presin requerida a la entrada del precalentador del intercambiador de

    calor, es decir a 115 bares. Por lo tanto, sus valores de entalpa y entropa sern los

    siguientes:

    | = 4 |, + } |~ = 4 |, + |~

    | = |~

    n = n' = 2,812 y ! G

    n' = 951,88 y/ !

  • 51 Con la hiptesis del 85% de rendimiento isentrpico en bombas se hallan sus valores

    reales:

    n = n + vn' nJ w = 941,18 + v951,88 941,185

    0,85 w

    6 = 953,768 y/ !

    7.2.10 Anlisis del intercambiador de calor Se analiza el intercambiador de calor como si fuera un nico volumen de control, ya que

    lo que realmente interesa es la entalpa del fluido a la entrada de la turbina para poder

    calcular el rendimiento del ciclo, ms all de los valores intermedios de presiones y

    temperaturas.

    P1=115 bar

    T1= 247 C

    h1=953,768 kJ/kg

    s1s=2,812 kJ/kgK

    Despus de pasar por las distintas etapas del intercambiador de calor, a la salida del

    sobrecalentador, el fluido se encuentra en forma de vapor sobrecalentado, ha disminuido

    su presin y aumentado su temperatura debido al intercambio de calor con el fluido

    trmico HTF.

    P4= 100 bar

    T4=377 C

    Al no disponer del valor exacto de temperatura en las tablas habr que interpolar para

    hallar los valores buscados a la temperatura de salida del sobrecalentador.

    = 2962,1 + v3096,5 2962,1400 360 w

  • 52

    = 6,006 + v6,2120 6,006400 360 w

    = 3019,22 y/ !

    = 6,09355 y ! G 7.2.11 Clculo de potencias

    A continuacin para los caudales supuestos inicialmente se caculan las diferentes

    potencias trmicas y mecnicas que se obtienen en el circuito de agua-vapor.

    = 190 000kg/h=52,77kg/s

    bypass =30 000kg/h=8,33 kg/s

    recal =160 000kg/h=44,44 kg/s

    vaporcond =140 000kg/h= 38,88 kg/s

    vaporextrac = 20 000kg/h=5,55kg/s 2 BLU&.%6B= (h4-h5) =52,77(3 019,22-2 599,40)= 22,157 MW 5I;%6INB = real (h6-h5) =44,44(3 208,5-2 599,40)=27,068 MW 2 BLU&.&%= vapor cond(h6-h7)+ mvapoextrac(h6-h11)

    2 BLU&.&%= 5 538,88(3 208,5-2 743,77)+5,55(3 208,5-2 072,41)= 24,384MW 5;7NIN' = vaporcond(h7-h8) =38,88(2 072,41-173,88)=73,814 MW

  • 53

    2 &7.&%;7N= vapor cond (h9-h8) =38,88(174,81-173,88)=36,158 kW 5FUI;%6INBn = vaporcond(h9-h10)=38,88(648,79-147,672)=19,483 MW 5FUI;%6INB0 = vaporcond (h12-h11)=5,55(512,42-2 743,77)=-12,396 MW 2 &7.&%= (h1-h13) =52,77(951,88-941,88)=664,366 Kw

    5 a = (h4-h1)=52,77 (3 019,22-951,88)=109,109 MW

    7.2.12 Rendimiento del ciclo de vapor

    Una vez calculadas todas las potencias que intervienen en el ciclo, el rendimiento del

    mismo viene dado por la siguiente igualdad:

    J = bjciebkehg

    J = +22157 + 24384) +36,158 + 666,366)109109 + 27071 12396 + 19483

    J;C;67L%%F7U = 32%

    7.2.13 Diseo del alternador

    El alternador de la central ser de eje horizontal por situarse en el eje de la turbina, de

    tipo sncrono, al ser estos los ms indicados para potencias superiores a 2 MW, y con un

    nico par de polos, por lo que la velocidad de giro ser:

    = zF

    = 3000

  • 54 Donde: n: Velocidad de giro del motor, expresado en rpm

    f: Frecuencia de la red, expresado en Hz

    p: n de pares de polos

    Se ha elegido una tensin nominal igual a 11 kV, como la de otras plantas actualmente

    en funcionamiento ya que para la potencia a la que se genera es conveniente utilizar esta

    tensin para evitar problemas con las corrientes.

    La potencia nominal es de 50 MW, y el factor de potencia escogido para hacer que la

    central funcione correctamente es igual a cos =0,85.

    Por lo tanto el valor de la intensidad nominal del sistema se podr calcular con la

    ecuacin de la potencia activa:

    ~ = 3 " < /9^

    Donde: P: Potencia nominal de la planta, expresado en MW

    U: Tensin nominal expresada en kV

    I: Corriente nominal, expresada en kA

    Cos: Factor de potencia

    50 10z = 3 11 10 < 0,85 < = 3,08 8 El alternador elegido ha sido el 1000A refrigerado por aire de Siemens cuyas

    caractersticas vienen detalladas en el anexo C de especificaciones tcnicas.

  • 55 Por lo general, los alternadores difcilmente tendrn un rendimiento inferior al 99%, por

    lo tanto ese ser el rendimiento del alternador de la central.

    alternador=99%

    7.3 Produccin elctrica 7.3.1 Produccin elctrica solar

    Con una superficie de 287 760 m2, un rendimiento medio de transformacin solar

    trmica de un 76% y un rendimiento del ciclo trmico-elctrico del 32%, se puede

    obtener a partir de la tabla de radiacin normal directa de la NASA una previsin de la

    produccin elctrica por meses y el total anual. Los resultados son los que indica la

    tabla 7-5.

    ~I =

  • 56

    Tabla 7-5: Produccin elctrica bruta por meses Meses

    Rad normal direct

    (kWh/m2dia)

    Produccin bruta de Energa

    (MWh)

    Enero 4,50 5 722,72

    Febrero 5,15 6 549,33

    Marzo 5,55 7 058,02

    Abril 6,20 7 884,63

    Mayo 6,26 7 960,94

    Junio 7,52 9 563,30

    Julio 7,61 9 677,75

    Agosto 6,98 8 876,57

    Septiembre 5,66 7 197,91

    Octubre 4,70 5 977,06

    Noviembre 4,09 5 201,31

    Diciembre 3,89 4 946,97

    media anual 5,68 7 218,04

    Total anual

    93 834,55

    En la figura 7-5 se observa la evolucin de la cantidad de energa elctrica bruta que se

    va a producir de una manera ms grfica.

    Figura 7- 5: Produccin elctrica bruta anual

    -

    2.000

    4.000

    6.000

    8.000

    10.000

    12.000

    Produccin elctrica bruta mensual (MWh)

  • 57 7.3.2 Produccin elctrica con caldera auxiliar

    El funcionamiento habitual de estas plantas consta con ciclos diarios de parada y de

    arranque.

    Con el fin de suplir las prdidas durante los paros, el vigente RD 436/2004 (modificado

    posteriormente por el RD 231/2004) permite el uso de un combustible auxiliar, que en

    este caso ser el Gas Natural.

    El Gas Natural es el combustible elegido por motivos ambientales (su combustin

    genera menos CO2 que la del propano u otros combustibles lquidos) y econmicos.

    Si el rgimen econmico elegido es la venta de energa elctrica a tarifa regulada, esta

    energa auxiliar solo puede utilizarse hasta un mximo de un 12% anual segn el RD

    2351, art 24.1.

    Por el contrario si se elige el rgimen de mercado, se podr utilizar hasta un mximo de

    un 15% de combustible auxiliar sobre el computo anual segn el RD 2351, art 24.1. Si

    se considera que la energa trmica obtenida por este combustible se transfiere al fluido

    de intercambio (aceite trmico), se tiene que una parte se destinar a compensar las

    perdidas de carga, representando hasta un 15% ser energa adicional aportada por la

    caldera auxiliar.

    En este caso, se va a suponer que la parte de combustible auxiliar destinada a compensar

    prdidas o ausencias de radiacin del campo solar ser la mxima permitida: un 15% de

    la produccin elctrica total:

    El rendimiento de la caldera se supondr en un 90%, que es el rendimiento habitual de

    las calderas de gas. Por lo tanto existir una produccin elctrica adicional obtenida a

    partir de la energa trmica aportada por la caldera auxiliar.

    ;%6.%Ls = F 15% 90% = 12667,662

  • 58 Donde:

    F= Energa producida por el campo solar, expresado en MWh/ao

    De esta manera:

    ;%6.%Ls = 93834,95 15% 90% = 12667,662

    Existir una produccin elctrica adicional de 12 667,66 MWh/ao obtenidos a partir

    de energa trmica aportada por la caldera auxiliar.

    Segn lo visto en los apartados anteriores la produccin bruta total de energa ser la

    que marca la tabla 7-6.

    Tabla 7-6: Produccin de energa bruta

    Produccin de energia bruta (MWh anuales)

    Campo solar 93 834,55

    Caldera auxiliar 12 667,66

    Produccin bruta 106 502,22

    La central se encontrar funcionando todas las horas del ao en que haya sol, por lo que

    arrancar y parar todos los das, funcionando un gran nmero de horas a cargas

    parciales.

    7.3.3 Estudio de disponibilidad

    Para llevar a cabo el estudio de disponibilidad de la planta se van a llevar a cabo una

    serie de consideraciones.

    En primer lugar se va a calcular cual es la potencia mxima que la planta puede alcanzar

    cuando el valor de radiacin global directa es el ms alto (este valor coincide con el que

    se ha tomado como punto de diseo anteriormente, es decir, 820 W/m2).

  • 59 A partir de los datos de superficie de espejos y el rendimiento del campo solar citados

    en apartados anteriores, se puede calcular la potencia trmica mxima del campo

    diseado:

    ~W =

  • 60

    I = 720W/0

    Para determinar el factor de carga de la central en cada momento se calcula la

    distribucin de la radiacin a lo largo de las 24 horas del da de la forma mas precisa

    posible.

    En las tablas de la NASA, el dato de la distribucin horario no est disponible para la

    radiacin global directa, que es la que se utiliza en la tecnologa de los CCPs, en cambio

    si existen datos de distribucin trihoraria de radiacin global directa sobre la superficie

    horizontal (ver Anexo C).

    En la tabla 7-7 se muestran los diferentes grados de carga los que funcionar la central

    termoelctrica:

    Tabla 7-7: Grado de carga de la central

    Hora Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

    1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

    2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

    3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

    4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

    5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

    6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

    7 0 0 0,028 0,083 0,139 0,167 0,139 0,097 0,056 0,028 0 0

    8 0 0 0,028 0,083 0,139 0,167 0,139 0,097 0,056 0,028 0 0

    9 0 0 0,028 0,083 0,139 0,167 0,139 0,097 0,056 0,028 0 0

    10 0,236 0,347 0,514 0,694 0,750 0,819 0,778 0,708 0,611 0,458 0,319 0,222

    11 0,236 0,347 0,514 0,694 0,750 0,819 0,778 0,708 0,611 0,458 0,319 0,222

    12 0,236 0,347 0,514 0,694 0,750 0,819 0,778 0,708 0,611 0,458 0,319 0,222

    13 0,556 0,681 0,819 0,958 1,014 1,139 1,139 1,069 0,861 0,667 0,542 0,486

    14 0,556 0,681 0,819 0,958 1,014 1,139 1,139 1,069 0,861 0,667 0,542 0,486

    15 0,556 0,681 0,819 0,958 1,014 1,139 1,139 1,069 0,861 0,667 0,542 0,486

    16 0,333 0,458 0,597 0,708 0,750 0,847 0,875 0,778 0,597 0,417 0,278 0,250

    17 0,333 0,458 0,597 0,708 0,750 0,847 0,875 0,778 0,597 0,417 0,278 0,250

    18 0,333 0,458 0,597 0,708 0,750 0,847 0,875 0,778 0,597 0,417 0,278 0,250

    19 0 0,028 0,056 0,097 0,153 0,208 0,208 0,139 0,056 0,014 0 0

    20 0 0,028 0,056 0,097 0,153 0,208 0,208 0,139 0,056 0,014 0 0

    21 0 0,028 0,056 0,097 0,153 0,208 0,208 0,139 0,056 0,014 0 0

    22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

    23 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

    24 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

  • 61 Aunque los porcentajes obtenidos indican que durante una considerable parte del tiempo

    que la central est funcionando lo har a un grado de carga no muy alto, esta situacin

    se ver compensada con el uso de la caldera de gas auxiliar.

    No tendra sentido elegir una turbina inferior a 50 MW ya que al elegir una turbina de

    potencia inferior se estara infrautilizando la capacidad de generacin de la planta

    termoelctrica durante la mayor parte del ao, y que supondra un aumento en los costes

    de operacin y mantenimiento de la central.

    Segn la Agencia Estatal de Meteorologa, la ubicacin de la planta cuenta con 2 500

    horas de sol al ao (ver anexo B), por lo tanto la central tendr un funcionamiento de

    aproximadamente ese nmero de horas.

    El factor de capacidad de la planta, esto